寬帶信號接收機中數字下變頻的設計與FPGA實現?

覃榮捷 袁 曉 辛 超 陸大海

（1.四川大學電子信息學院 成都 610064）（2.西南電子電信研究所 上海 200434）

1 引言

隨著通信技術的發展，軟件無線電技術在軍事和民用上都具有重要作用［1，9］。而寬帶信號接收機就是針對寬帶信號進行信號采集、處理與傳輸的一種基于軟件無線電技術的設備。但是隨著集成芯片的不斷發展，ADC的采樣速率越來越高，這對后續的數據處理、傳輸以及存儲帶來很大的壓力，具有向下變頻、濾波和降低采樣速率等優點的數字下變頻就顯示了其重要作用，同時，它也是軟件無線電技術中的關鍵技術之一。現有的數字下變頻實現方法有通用DDC芯片、專用ASIC和FPGA等。而以FPGA實現的數字下變頻是通過硬件描述來實現，具有靈活可配置、并行處理等特點，常常被作為首選實現方案［2］。本文根據寬帶接收機的功能需求，設計一個針對數字中頻的可靈活配置的DDC方案。

2 DDC的原理及其設計方案

數字下變頻主要包括數控振蕩器NCO、混頻器和濾波三個部分，其原理框圖［3］如圖1所示。DDC的工作原理過程為經過A/D轉換后的數字高頻信號x（n）進入DDC后，先與數控振蕩器（NCO）產生的正交本振信號相乘，將數字高頻信號下變頻至特定頻率。此時，混頻得到的數據速率仍然和A/D采集的速率一致，都相對較高，對后級的數據傳輸和處理造成很大壓力。因此，混頻后的信號經過積分梳狀（CIC）濾波器和半帶（HB）濾波器進行抽取濾波，將數據速率快速下降。最后通過FIR濾波器進行整形濾波，輸出I/Q兩路基帶信號。

圖1 數字下變頻的原理框圖

根據某寬帶接收機的功能需求，設計一個模擬中頻輸入為70MHz，采樣頻率為93.33MHz，數字中頻帶寬最大為20MHz的可配置的數字下變頻器。在充分考慮DDC時效性和開發周期的基礎上，數字下變頻器中的大部分模塊先通過Matlab進行仿真，并從Matlab中獲取相應的參數，再利用這些參數進行IP核的配置，最后利用Verilog完成DDC的實現。

3 DDC的詳細設計及其仿真

3.1 混頻模塊的設計

混頻模塊主要包括數控振蕩器NCO和乘法器。其中，數控振蕩器，作為DDC的核心部分，主要用來產生穩定的、正交的、頻率可控的正弦和余弦信號，如式（1）所示。

式（1）中，fLO是數控振蕩器的本地振蕩頻率，fs是ADC的采樣頻率。在FPGA中常用的數控振蕩器可以采用查表法、DDS和CORDIC等方法。但無論采用哪種方法，都在一定程度上占用了FPGA的ROM資源或者DSP資源，而且提高調試的復雜度。因此，在本文中，提出了一種免混頻方法，其原理是：在滿足采樣定理的前提下，本設計中采樣頻率為93.33MHz，中頻頻率為70MHz。ADC采樣時鐘會將70MHz的中頻信號左右搬移93.33MHz的整數倍，即產生頻率為（70±93.33N）的鏡像，此時可選擇其中任意一個鏡像信號來完成解調。文中選擇23.33MHz的鏡像信號，即數控振蕩器NCO產生的23.33MHz的正余弦信號與之相乘。由此可知，以式（1）中的為例，可寫成：

從式（1）、式（2）可以看出，NCO的I路輸出就分別為cos（O）、cos（π/2）、cos（π）、cos（3π/2），即1，0，-1，0四個特殊值，Q路輸出為sin（0）、sin（π/2）、sin（π）、sin（3π/2），即0，1，0，-1四個值。這樣混頻器就可以避免復雜的振蕩器和乘法器，而用簡單的組合邏輯和取反電路即可實現，從而極大簡化了硬件電路的實現。實現方法為：先將輸人數據流每隔2個求其負數，即取2的補碼，形成一個新的數據流，再將新數據流每隔一個置0，所得的輸出數據流就是下變頻后的基帶I/Q數據。FPGA中觀測混頻之后的結果如圖2所示。

3.2 CIC濾波器設計與Matlab仿真

級聯積分梳狀濾波器（Cascade Integrator Comb，CIC），顧名思義是講積分器和梳狀濾波器級聯而成，其原理結構框圖如圖3所示。從框圖中可以看出，CIC濾波器前半部分是一個積分器，所做加法運算是在x（n）與反饋回路乘1之間。而后半部分是r階的梳狀濾波，所做加法運算是在x（dn）與其前饋回路乘-1所得之間。由于其系數均為1，運算只需要加法器而無須乘法器，在實際設計時無須對系數進行存儲，從而在FPGA中實現時節省了存儲空間和DSP資源。

圖3 CIC濾波器原理結構框圖

CIC濾波器的傳遞函數［4］為

在抽取系統中，常以N級CIC級聯使用，其結構如圖4所示。

圖N級級聯結構圖

N級CIC級聯后的性能主要由旁瓣抑制AN、阻帶衰減αN、帶內幅值容差δN和帶寬比例因子b等參數指標決定，它們與級數N，抽取因子r之間的關系如下：

由上述公式可知，隨著級數N的增大，濾波器的旁瓣抑制A和阻帶衰減α都增大，同時帶內幅值容差也增大，考慮到通帶性能，通常選取N≤5［5］。在N不變的情況下，帶寬比例因子b越小，CIC濾波器的通帶和阻帶特性也就越好。根據設計要求，CIC的級數為3，抽取因子為4～1024可變。在Matlab和FPGA中可得到其幅頻響應如圖5所示。

圖濾波器的幅頻響應

3.3 半帶濾波器設計

半帶濾波器是一種特殊的FIR濾波器，它的具體兩個顯著的特性。

1）其通帶寬度與阻帶寬度相同，并且它的通帶容限與阻帶容限也相同，也就是說，通帶與阻帶是關于π/4對稱的，這也是半帶濾波器這個名字的由來。

2）半帶濾波器的單位沖擊響應為

式（5）中，N為濾波器的長度，且必須為奇數。從式（5）中可以看出：除零點外，其他偶數序號的單位脈沖響應為0，所以半帶濾波器的系數有一部分是0。因此，在進行卷積運算的時候也就省去了部分乘法運算和加法運算，這就使得半帶濾波器的運行速度大幅度提升，占用的硬件資源大幅度減小。所設計的半帶濾波器的幅頻響應如圖6所示。

圖6 半帶濾波器的幅頻響應

3.4 FIR濾波器設計

FIR濾波器，顧名思義，其沖擊響應由有限個采樣值構成［12］。在DDC中，HB濾波器后面需要增加一個FIR低通濾波器對數據進行整形濾波。由于信號經過CIC抽取之后速率變低，為了減少過渡帶寬，提高濾波器性能，通常通過提高FIR的階數來實現，即增大N。本文是通過Matlab FDATool設計FIR濾波器，并將設計好的FIR系數量化成定點后導出至FPGA中，可以看出在兩個環境下的幅頻響應如圖7所示。該濾波器階數為128，阻帶衰減為80dB，通帶寬度為30MHz。

4 DDC的FPGA實現

選用Xilinx公司的7系列XZ7Z100ffg-2作為目標器件，利用Verilog語言，在vivado軟件平臺下進行DDC的實現，RTL框圖如圖8所示。

圖7 FIR濾波器的幅頻響應

圖8 DDC的RTL原理圖

系統驗證對頻率為1MHz信號的數字下變頻，本文設計采用的系統時鐘為93.33MHz，中頻頻率為70MHz，用系統時鐘對中頻信號進行采樣，由帶通采樣定理可知，在23.33MHz處會出現基帶信號的鏡像信號。系統輸入97MHz正弦信號，經過采樣后鏡像信號出現在24.33MHz處，通過混頻和抽取濾波后應該在1MHz的信號不被濾掉。具體做法是利用ILA進行數據監測，同時保存所監測的數據，最后對所保存的數據進行Matlab分析驗證。圖9和圖10分別以數據和波形的方式呈現DDC以4倍抽取輸入信號的結果。圖11則以ILA中的有效數據進行時域圖和頻譜圖結果。結合圖9、圖10、圖11可以看出，DDC最后輸出的波形就是1MHz正弦信號，與理論分析相吻合。

圖9 DDC調試結果的數據顯示

圖10 DDC調試結果的波形顯示

圖11 DDC的數據在Matlab中時域圖和頻譜圖

5 結語

綜上所述，本文設計的DDC對輸入的中頻信號，很好地完成了抽取降速、整形輸出的過程，為后續的數據處理提供可靠的數據源。同時DDC的抽取因子是可以靈活配置的，可根據系統要求進行改變。該設計大部分模塊的實現采用了Xilinx IP核，簡化了設計流程和縮短開發時間，從最后的結果可以看出本設計是正確可行的，而且已被成功地運用到某便攜式寬帶接受機設備中，對無線電監測等設備的研制具有一定的參考意義。